钇铁石榴石启发的铁3d自旋重构构建内建电场实现宽温域钠离子电池层状正极材料的快充性能

《Advanced Functional Materials》：YIG-Inspired Fe 3d Spin Rearrangement to Construct Built-In Electric Field Achieving Fast-Charging Layered Cathode for Wide-Temperature Sodium-Ion Battery

本研究针对O3-NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2层状正极材料电子电导率差、限制倍率性能并加剧O3-P3相变的问题，受钇铁石榴石(YIG)启发，研究人员提出局部电子调控策略。通过Y3+替代Ni2+诱导Fe 3d轨道电子重排，实现高自旋态(t2g3eg2)向低自旋态(t2g5eg0)转变，缩小带隙并构建浓度梯度内建电场。所得Y0.25-NFM材料在20 C倍率下展现64 mAh g?1可逆容量，1 C循环500次后容量保持率达80.9%，为高性能钠离子电池层状氧化物正极设计提供了新思路。

　　

受到钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet, YIG)的启发，研究人员采用了一种局部电子调控策略来解决钠离子电池中O3型NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂正极材料电子传输缓慢的难题。具体而言，利用Y³⁺离子部分取代Ni²⁺，重新排列了铁元素3d轨道的电子构型，这触发了一个关键的电子态转变：从高自旋态(t_2g³e_g²)转变为低自旋态(t_2g⁵e_g⁰)。由于费米能级附近t_2g^?能带的不对称分裂，这一转变有效地缩小了材料的带隙。此外，Y³⁺较大的离子半径倾向于构建一个浓度梯度，从而生成了一个长程的内建电场。得益于电导率的显著提升，改性后的Y0.25-NFM材料在高达20 C的倍率下仍能释放出64 mAh g^?1的可逆容量。同时，增强的可逆相变能力也助力Y0.25-NFM在1 C倍率下经过500次循环后，仍能保持80.9%的初始容量，而作为对比的未改性NFM材料仅剩44.7%。这项工作深入揭示了Y³⁺掺杂对短程和长程电子相互作用的双重调控效应，为构建用于先进钠离子电池(Sodium-Ion Batteries, SIBs)的优异层状氧化物正极材料提供了一条新颖的策略。作者声明无利益冲突。